Investigadores japoneses presentan un sistema de bomba de calor química solar para edificios

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Investigadores de la Universidad de Chiba (Japón) han diseñado un sistema de bomba de calor que integra la energía fotovoltaica-térmica (PVT, por sus iniciales en inglés) con el almacenamiento químico mediante una reacción exotérmica que libera calor y una reacción endotérmica que lo almacena.

La bomba de calor solar química (SCHP) propuesta está pensada para proporcionar calefacción y refrigeración en edificios y, según sus creadores, puede consumir un 75% menos de electricidad que las bombas de calor convencionales. “La introducción de sistemas SCHP tiene importantes ventajas energéticas, medioambientales y económicas”, afirman los científicos. “Pueden mejorar la eficiencia energética de los edificios, reducir las emisiones de carbono y disminuir los costes de funcionamiento”.

En el estudio “Feasibility study with EnergyPlus simulation for solar chemical heat pump unit introduced into building as next-generation energy supply system” (Estudio de viabilidad con simulación EnergyPlus para una unidad de bomba de calor química solar introducida en un edificio como sistema de suministro de energía de próxima generación), publicado en Energy and Buildings, los académicos explicaron que una unidad SCHP suele combinar la energía térmica solar con una subunidad de bomba de calor química, y añadieron que la energía fotovoltaica se utiliza para alimentar el fluido caloportador circulante para captar, almacenar y utilizar eficientemente la energía térmica.

Su prototipo se construyó con un par de trabajo que combinaba sulfato de calcio (CaSO4) y agua. Consistía en varias subunidades de cogeneración individuales conectadas en paralelo, con el estado operativo de cada subunidad configurable en respuesta a la demanda de carga específica.

El sistema SCHP también está conectado a equipos de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), una torre de refrigeración y una unidad que integra un tanque de almacenamiento de calor (HS), colectores solares térmicos, paneles fotovoltaicos y una batería, así como una conexión con la red eléctrica y una fuente de gas. El calor proporcionado por los colectores solares térmicos o la fuente de gas se utiliza para la reacción de deshidratación destinada a almacenar calor.

El sistema puede funcionar en tres modos diferentes. En el primero, los colectores solares combinados con gas natural suministran la energía térmica para las subunidades de cogeneración, los paneles fotovoltaicos producen energía para cargar la batería, y la batería suministra energía para las subunidades de cogeneración, sin necesidad de utilizar electricidad de la red.

En el segundo modo, los paneles fotovoltaicos y la electricidad de la red suministran energía a las subunidades de cogeneración, los colectores solares cargan el acumulador de calor y éste suministra energía térmica a las subunidades de cogeneración sin necesidad de gas.

El tercer modo requiere que los colectores solares carguen el tanque de almacenamiento de calor, que los paneles fotovoltaicos generen electricidad para cargar la batería, y que el tanque proporcione a su vez energía térmica a las subunidades de cogeneración, mientras que la batería suministra energía de circulación a las subunidades de cogeneración, sin necesidad de gas ni electricidad adicionales.

El grupo realizó un estudio de viabilidad del sistema, suponiendo su implantación en un edificio de investigación de 20 m de altura en Chiba. La batería y el depósito de alta temperatura se dimensionaron para satisfacer la demanda energética del edificio, que tiene una superficie total de 8.640 m2. “El periodo de ejecución de la simulación va del 1 de enero al 31 de diciembre, con un total de 8.760 horas”, se especifica. El número de pasos temporales por hora tenía un valor máximo de 60.

La simulación demostró que la batería, cuando se utiliza, puede ayudar a reducir los costes de funcionamiento en un 30%, mientras que se comprobó que el depósito HS reduce estos costes en un 82%. “Cuando se importan ambos, no hay necesidad de consumir energía externa y los costes de funcionamiento anuales se acercan a 0 yenes”, destacaron los académicos.

El análisis también demostró que el sistema SCHP es capaz de consumir alrededor de un 75% menos de electricidad que las bombas de calor convencionales, al tiempo que contribuye a reducir las emisiones de CO2 hasta en un 72%. “Los costes de funcionamiento del sistema SCHP en el edificio se reducen significativamente, reduciendo los costes de funcionamiento en un 73%”, añadió el equipo. “En comparación con el sistema convencional, el consumo de energía en Sapporo, Matsumoto, Tokio y Kagoshima del sistema SCHP se reduce en un 83%, 86%, 80% y 78%, respectivamente. El efecto de ahorro energético es mayor en las zonas frías que en las cálidas”.

Los investigadores especificaron que su modelización tenía algunas limitaciones debidas a la presencia del sistema HVAC y señalaron que los trabajos futuros deberían considerar una evaluación económica más exhaustiva. Sin embargo, concluyeron que el sistema propuesto tiene un “inmenso potencial sostenible” como sistema de suministro de energía de próxima generación.

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